Biotrophic Development of Ustilago maydis and the Response of Its Host Plant Maize

Fungal plant pathogens affect the quality of food and feed produced from infected plants and cause substantial yield losses every year. Especially fungi infecting cereal crops represent an ernormous thread. The biotrophic fungus Ustilago maydis is the causative agent of the smut disease on maize. Mo...

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Main Author: Wahl, Ramon
Contributors: Feldbrügge, Michael (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2009
Biologie
Subjects:
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Table of Contents: Pflanzenpathogene Pilze beeinträchtigen die Qualität von Nahrungsmitteln für Mensch und Tier und verursachen jedes Jahr erhebliche Ernteausfälle. Speziell Pilze, die Getreidepflanzen infizieren, stellen ein erhebliches wirtschaftliches Problem dar. Der biotrophe Pilz Ustilago maydis ist der Erreger des Maisbeulenbrandes. Für die Initiation pilzlicher Pathogenität essentielle molekulare Mechanismen, wie die Fusion zweier kompatibler Sporidien, die Etablierung des infektiösen Dikaryons sowie des Penetrationsprozesses, welcher die Infektion der Pflanze einleitet, werden in U. maydis intensiv erforscht. Die Details, wie sich der Pilz in der Pflanze ausbreitet und sich an die unwirtliche Pflanzenumgebung anpasst, sind jedoch weitgehend unbekannt. Diese Dissertation untersucht das molekulare Wechselspiel zwischen Ustilago maydis und seiner Wirtspflanze und verfolgte dabei drei verschieden Ansätze. Die Initiation der sexuellen Entwicklung und Pathogenität wird in U. maydis von den beiden Homeodomänproteinen bE und bW kontrolliert, welche einen aktiven Transkriptionsfaktor nach Fusion zweier kompatibler Sporidien bilden. Durch Konstruktion von temperatursensitiven bE-Proteinen war es möglich zu zeigen, dass auch innerhalb der Pflanze die Entwicklung von U. maydis von dem b-Heterodimer reguliert wird (2.1). Eine Inaktivierung des bW/bE-Komplexes innerhalb der Pflanze stoppt das pilzliche Wachstum und führt zu einer Deregulation von sekretierten Proteinen, welche wahrscheinlich die Abwehrmechanismen der Pflanze manipulieren. U. maydis etabliert ein enges, biotrophes Abhängigkeitsverhältnis mit seinem Wirt. Um die Reaktion der Pflanzenzellen während dieser Interaktion zu untersuchen, wurden globale Expressions- und Metabolomanalysen über den gesamten Infektionsverlauf durchgeführt (2.2). Die Expressionsanalysen zeigten eine frühe Erkennung von U. maydis durch die Maispflanze, welche grundlegende Abwehrreaktion induziert. Nach Penetration der Pflanze durch U. maydis werden diese Abwehrreaktionen unterdrückt, was auf einen aktiven Eingriff des Pilzes in das pflanzliche Immunsystem hindeutet. Weiterhin zeigten die Analysen, dass sich mit U. maydis infizierte Maisblätter nicht zu photosynthetisch aktiven Geweben entwickeln, sondern ihre Nährstoffe aus anderen Teilen der Pflanze beziehen. Zur Deckung des Kohlenhydratbedarfs wird typischerweise Saccharose in solche Gewebe importiert, was sich auch in den infizierten Bereichen beobachten lies. Da die Nährstoffverfügbarkeit die Fitness eines Pathogens bestimmt, ist sie auch ausschlaggebend für die erfolgreiche Entwicklung innerhalb der Wirtspflanze. Entsprechend müssen biotrophe Pilze wie U. maydis Strategien entwickeln, um sich von den Nährstoffen des Wirtes zu ernähren. Durch die Identifizierung von Srt1 und Hxt1, zwei für die pathogene Entwicklung von U. maydis notwendigen Zucker-transportern, war es mir möglich zu analysieren, welche pflanzlichen Kohlenhydrate entscheidend für die biotrophe Entwicklung sind (2.3; 2.4). Srt1, ein neuartiger Saccharosetransporter, wird ausschließlich während der Infektion exprimiert. Durch seine ungewöhnlich hohe Affinität zu Saccharose ist Srt1 bestens geeignet, um mit pflanzlichen Saccharosetransportsystemen zu konkurrieren (2.3). Hxt1 transportiert die Hexosen Glukose, Fruktose und Mannose, und mit niedrigerer Affinität auch Galaktose und Xylose. Die Deletion von hxt1 reduziert die Pathogenität von U. maydis, beeinflusst sein Wachstum und behindert Monosaccharid-abhängige Genregulation. Expressionsanalysen in hxt1-Deletionsmutanten zeigten, dass Hxt1 als Monosaccharidtransporter und -sensor fungiert (2.4). Da hxt1 und srt1 Doppel-deletionsmutanten nahezu überhaupt keine Krankheitssymptome nach Infektion induzieren, ist sowohl die Aufnahme von Saccharose als auch die ihrer Spaltprodukte notwendig für die pathogene Entwicklung von U. maydis. Die Pflanze erkennt U. maydis bereits auf der Pflanzenoberfläche, woraufhin sie Abwehrmechanismen einleitet. Nach Infektion mit U. maydis werden diese Reaktionen manipuliert, wahrscheinlich durch die Aktivität sekretierter, pilzlicher Proteine. Während der Krankheitsentwicklung ist das infizierte Maisgewebe von Nährstoffimport abhängig, da es keine photosynthetische Aktivität aufweist. Der Kohlenhydratbedarf wird hierbei von Saccharose gedeckt, welche direkt (Srt1) und indirekt (Hxt1) von U. maydis aufgenommen wird und als Nahrungsquelle dient. Die Einleitung und Aufrechterhaltung der biotrophen Interaktion, sowie die Expression von sekretierten Proteinen, die für die Manipulation des Wirtes notwendig sind, werden von einer komplexen Transkriptionskaskade reguliert, die durch das bW/bE-Heterodimer kontrolliert wird. Die b-Kaskade reguliert somit nicht nur das Wachstum und die Differenzierung des Pilzes, sondern auch seine Anpassung an verschiedene Pflanzengewebe.